РУЛЕВЫЕ ПРИВОДЫ И СЕРВОПРИВОДЫ

Принщт действия рулевых приводов. Для перемещения рулевых поверх­ностей в бустерных и электродистанционных системах управления рулями’ используются рулевые приводы. Наибольшее распространение получили рулевые приводы гидромеханического принципа действия. Гидромехани­ческий рулевой привод за счет использования гидравлической энергии преобразует механическое перемещение входного звена в механическое перемещение выходного звена.

Рулевой привод представляет собой следящую механическую систему (рис. 5.6, а). Перемещение хвх входной тяги РП пилотом или автоматикой в механическом сравнивающем устройстве С суммируется с механическим сигналом обратной связи х0. с, формируемым звеном обратной связи (ОС) пропорционально перемещению выходного звена РП хвых. Разность пере­мещений (хвх — х0. с) подается в регулирующее устройство (РУ) и силовой механизм (СМ). Так как сигнал обратной связи несет информацию о пере­мещении выходного звена, такая обратная связь является позиционной (жесткой). Управляющий сигнал хвх вызывает соответствующее смещение выходного звена РП относительно нейтрали.

Входным сигналом является перемещение пилотом тяги 1 (рис. 5.6,6). Это перемещение вызывает смещение штока 2 регулирующего золотнико­вого устройства 3. В результате гидравлическая жидкость под большим давлением через линию подачи 4 поступает в полости А или В регули­рующего устройства. Одновременно из противоположной полости проис­ходит слив жидкости через линию слива 5. Увеличение давления в одной из полостей регулирующего устройства вызывает увеличение давления в смежной с ней полости С или D силового механизма 6. В результате происходит перемещение выходного штока 7, который одним концом соединен через механическую тягу с рулевой поверхностью, а другим концом — с механическим сравнивающим устройством 8. Тем самым реали­

зуется жесткая обратная связь по перемещению. Смещение выходного штока вызывает возвращение штока регулирующего устройства в среднее положение и прекращение доступа гидравлической жидкости в полости силового механизма. Движение выходного штока прекращается, а его положение пропорционально положению входной тяги.

Принцип действия сервоприводов. Для преобразования электрического управляющего сигнала автоматики в перемещение механической проводки управления используются сервоприводы электромеханического и электро­гидравлического принципов действия. Электромеханический сервопривод строится на базе рулевой машины. Электромеханический сервопривод под действием электрической энергии преобразует электрический входной управляющий сигнал автоматики в перемещение выходного вала рулевой машины. Электрогидравлический сервопривод строится на базе рулевого агрегата. Электрогидравлический сервопривод за счет гидравлической энер­гии преобразует электрический входной управляющий сигнал автоматики в перемещение выходного звена рулевого агрегата.

Электромеханический сервопривод представляет собой следящую систе­му (рис. 5.7, а). Входной управляющий сигнал автоматики в виде напря­жения ивх в сумматоре С суммируется с сигналами обратной связи Uoci и иос2. Суммарный сигнал ис, равный разности входного управ­ляющего сигнала и сигналов обратной связи, подается на усилитель мощности У и двигатель Д рулевой машины РМ. Тахогенератор ТГ рулевой машины вырабатывает сигнал обратной связи и0. с1, пропор­циональный скорости вращения выходного вала фвых. Потенциометри­ческий или индукционный датчик обратной связи ДОС вырабатывает сигнал обратной связи и0 с2, пропорциональный углу вращения выходного вала фВЬ1Х. В зависимости от вида обратной связи в электромеханическом сервоприводе различают сервоприводы с позиционной (жесткой) обратной связью, скоростной (гибкой) обратной связью и изодромной обратной связью.

Сервопривод с позиционной обратной связью реализуется на базе рассмотренной функциональной схемы, если в качестве сигнала обратной связи используется сигнал и0. о2, несущий информацию об угле вращения выходного вала РМ. Тогда управляющий сигнал ивх вызывает соответст­вующее смещение выходного вала РМ относительно нейтрали. Сигнал

Рис. 5.7. Функциональная (а) и ки­нематическая (б) схемы электроме­ханического сервопривода

обратной связи и0, с1, несущий информацию о скорости вращения выход­ного вала, используется для улучшения динамических характеристик серво­привода. ‘

Сервопривод со скоростной обратной связью формируется на базе рассмотренной функциональной схемы, если в качестве сигнала обратной связи используется только сигнал выходного вала РМ. Тогда сигнал и0 с2 на сумматор сервопривода не поступает.

Сервопривод с изодромной обратной связью реализуется путем про­пускания сигнала позиционной обратной связи и0. с2 через электромеха­ническую следящую систему с последующим суммированием этого сигнала с сигналом позиционной обратной связи и0. с2, заведенным на сумматор обычным образом. Это позволяет изменить динамические характеристики сервопривода.

Электрокинематическая схема электромеханического сервопривода представлена на рис. 5.7,6. Входной управляющий сигнал в виде напря­жения переменного тока ивх подается на потенциометр суммирующей схемы. С выхода сумматора напряжение переменного тока ис подается на магнитный усилитель мощности У. Управляющее напряжение переменного тока иу подается на управляющую обмотку асинхронного двухфазного двигателя Д. Двигатель вращает выходной вал РМ через редуктор Р. Это вращение передается тросовому барабану ТБ, к которому подсоединена тросовая тяга, сцепленная с механической проводкой. На одном валу с двигателем находится тахогенератор ТГ, в сигнальной обмотке которого наводится сигнал u„. сі, пропорциональный скорости вращения. Этот сиг­нал подается на потенциометр сумматора. Индукционный датчик ДОС преобразует угол поворота выходного вала РМ в электрический сигнал и0. с2 • Этот сигнал подается на потенциометр сумматора сервопривода.

Сервопривод работает следующим образом. При появлении на входе сумматора управляющего сигнала ивх РМ начинает его отработку и делает это до тех пор, пока сигналы обратной связи и0. с1 и и0. с2 на входе сумматора не скомпенсируют входной сигнал ивх. Это произойдет тогда, когда угол поворота вала РМ станет пропорциональным входном сигналу.

Электрогидравлический сервопривод представляет собой следящую си­стему (рис. 5.8, а). Входной управляющий сигнал автоматики в виде напря-

-жения uBlc подается на сумматор С, где суммируется с сигналом позицион­ной обратной связи ц,, с. Суммарный сигнал ис усиливается в усилителе У и подается на исполнительный механизм ИМ рулевого агрегата РА. Датчик обратной связи ДОС вырабатывает сигнал и„, с, пропорциональный перемещению выходного штока РА хеых. В электрогидравлических серво­приводах реализуется, как правило, жесткая обратная связь.

Электрокинематическая схема электрогидравлического сервопривода представлена на рис. 5.8,6. Входной управляющий сигнал в виде напря­жения постоянного тока ивх подается на суммирующий усилитель постоян­ного тока УПТ, далее на усилитель У и катушку 1 преобразователя сигналов рулевого агрегата, который представляет собой двухкаскадный усилитель. .

Первый каскад усиления-гидроусилитель типа «сопло — заслонка», вы­полненный по схеме гидравлического моста. В качестве постоянных и рав­ных между собой гидравлических сопротивлений применяются дроссели 5. Переменными гидравлическими сопротивлениями являются сопла 3 с за­слонкой 4, жестко связанной с якорем 2 преобразователя сигналов. Вход­ным сигналом первого каскада усиления является электрический ток в катушке 1уПр, выходным-перепад давления на торцах распределитель­ного золотникового устройства 6, включенного в диагональ моста. Золот­ник-второй каскад усиления. Расход рабочей жидкости, определяемый открытием щели в гильзе золотниковой пары, является выходным парамет­ром второго каскада.

Принцип действия рулевого агрегата основан на равновесии и дисбалан­се моста. При отсутствии тока в обмотках преобразователя сигналов мост сбалансирован. При подаче тока управления якорь с заслонкой отклоняется от нейтрального положения. Это приводит к изменению сопротивления истечению рабочей жидкости из сопел, нарушению равновесия моста и возникновению перепада давления на торцах распределительного устрой­ства. Под действием перепада давления золотник смещается вправо или влево от нейтрального положения, соединяя при этом полости цилиндра 162

А или В с линией подачи или линией слива. В результате перемещается поршень и выходной шток 8 силового механизма 7. Выходной шток сопрягается с механической проводкой управления. Одновременно с пере­мещением выходного штока с потенциометра R0. с снимается сигнал жест­кой обратной связи по перемещению. При появлении на входе сумматора управляющего сигнала ивх рулевой агрегат начинает его отработку и делает это до тех пор, пока сигнал обратной связи и0. с на входе сумматора не скомпенсирует входной сигнал. Это произойдет тогда, когда перемещение выходного штока РА станет пропорционально входному сигналу.

Реакция рулевых приводов и сервоприводов на управляющие воздействия. Исследование реакции приводов на управляющие воздействия удобно провести на основе их передаточных функций. Рассмотрим упрощенную модель рулевого привода в виде следующего дифференциального урав­нения:

^вых (4) ^рп 0^вх(Д — XBbix(t)J, (5-1)

где kpD — коэффициент усиления РП.

Применим к уравнению (5.1) преобразование Лапласа:

рХ8ы* (р) = крп [Х»(р) — Хвых (р) — Хвых (ОД. (5.2)

Отсюда, полагая Хвых (0) = 0, определим передаточную функцию РП как отношение преобразования Лапласа выходного сигнала Хвых(р) к преобра­зованию Лапласа входного сигнала Хвх(р) при нулевых начальных условиях:

где Трп = 1/крп-постоянная времени РП.

Таким образом, динамика РП может быть описана динамикой аперио­дического звена. Обычно коэффициент усиления РП выбирают достаточно большим (кр„ = 50 — 100). Поэтому постоянная времени РП оказывается достаточно малой (Трп =0,01 — 0 ,02 с). Тогда в приближенных исследова­ниях динамикой РП можно пренебречь, полагая Трп £ 1.

Рассмотрим переходный процесс при скачкообразном изменении вход­ного сигнала на единицу (Хвх(р) = 1). Тогда согласно (5.3)

XBMx(t) = (1 — е t/T-).

Рассмотрим упрощенную модель рулевого агрегата в виде следующих дифференциальных уравнений:

хвых (Д кра хпр (t), (5.5)

Xnp(t) = =r- [uBX(t) — xnp(t)], (5.6)

fpa

где хвр — координата, характеризующая подвод гидравлической энергии; , Тра коэффициент усиления и постоянная времени РА.

рх^Р(р) = =- си8Ж(Р) — Х^р (р) — Х£р (0)]

А ра

и полагая Хвых(0) = хпр(0) = 0, определим передаточную функцию РА

Таким образом, динамика РА может быть описана динамикой усили­тельного, апериодического и интегрирующего звеньев. Обычно постоянную времени РА выбирают достаточно малой (Тра = 0,01 — г — 0,03 с). Тогда в при­ближенных исследованиях запаздыванием РА пренебрегают, полагая

Wpa (Р) = кра/р.

Рассмотрим переходный процесс при скачкообразном изменении вход­ного сигнала на единицу (UBX(p) = 1). Тогда согласно (5.10)

• xBbIX(t) =kpat. (5.11)

Рассмотрим упрощенную модель рулевой машины в виде следующих дифференциальных уравнений:

ФвыЛО = kpMXnp(t); (5.12)

*пР (t) = =4- [uBI (t) — x’p (t)], (5.13)

А рм

где xap-координата, характеризующая подвод электрической энергии; Крм, Трм- коэффициент усиления и постоянная времени РМ.

Решив уравнения (5.12), (5.13), получим передаточную функцию РМ

Таким образом, динамика РМ может быть описана динамикой усили­тельного, апериодического и интегрирующего звеньев. Обычно не удается получить достаточно малое запаздывание РМ в силу ограниченности характеристик электродвигателя. Поэтому постоянная времени РМ состав­ляет Трм = 0,05 и — 0,1 с, ею пренебречь нельзя.

Следует иметь в виду, что используемые линейные дифференциальные уравнения не учитывают ряд существенных нелинейностей. Так, для руле­вого агрегата в точных расчетах необходимо учитывать ограничение перемещения выходного штока, создаваемое концевыми выключателями, ограничение ускорения выходного штока, создаваемое ограничением мощ­ности по давлению; ограничение скорости выходного штока, создаваемое ограничением по расходу жидкости; зону нечувствительности, создаваемую перекрытием золотника.

164

7-электрогидравлический сервопривод без обратной связи; 2-электромеханический СП без ОС; 3- электро­гидравлический и 4- электромеханический СП с ЖОС; 5-электромеханический СП с СОС; б-электромехани­ческий СП с ЖОС и СОС; 7-электромеханический СП с ИОС

Аналогичные нелинейности характерны и для рулевой машины: огра­ничение перемещения выходного вала, создаваемое концевыми выключа­телями; ограничение ускорения выходного вала, создаваемое ограничением управляющего тока; ограничение скорости перемещения выходного вала, создаваемое ограничением управляющего напряжения; зона нечувствитель­ности, определяемая напряжением трогания двигателя.

Полученные передаточные функции РА (5.10) и РМ (5.14) позволяют исследовать динамику сервоприводов. Рассмотрим сначала модель элект­рогидравлического сервопривода без обратной связи. Пусть передаточная функция усилителя определяется Wy (р) = ку, где ку — коэффициент усиления. Тогда передаточная функция электрогидравлического сервопривода без обратной связи

W3r(p) = Wy(p) Wpa(p) = Kykpa/p = k3r/p. (5.15)

Ступенчатый единичный входной сигнал такой сервопривод отраба­тывает как интегрирующее звено:

х„ы*(1) = K3rt. (5.16)

Переходный процесс показан на рис. 5.9, а (кривая 7).

Передаточная функция электромеханического сервопривода без обрат­ной связи

где кэм = ку Крм — коэффициент усиления электромеханического СП без обратной связи.

Ступенчатый единичный входной сигнал такой сервопривод отработает как интегрирующее звено с запаздыванием (кривая 2).

Рассмотрим модель электрогидравлического сервопривода с жесткой обратной связью, когда в цепи обратной связи стоит усилительное звено

165

Ьжад л. эг Т*ос р + Г

W*M(p) = кжос(рис. 5.10, а). Тогда передаточная функция такого сервопри­вода

Коэффициент усиления и постоянная времени электрогидравлического сервопривода с жесткой обратной связью имеют вид:

(5.19)

Ступенчатый единичный входной сигнал такой сервопривод преобра­зует как апериодическое звено: п

хвы„(1) = кГ (1 _ є’*™). (5.21)

Если коэффициент усиления к достаточно велик, а кжос = 1, то Т?.?11 ^ 1. Тогда W*oc = 1 и динамикой электрогидравлического сервопривода с жест­кой обратной связью можно пренебречь (рис. 5.9,6, кривая 3).

І^жос ■**эм

1 + Wy to WpM (p) W*oe (p) (T*°c)2p2 + 2^

Рассмотрим модель электромеханического сервопривода с жесткой обратной связью (рис. 5.10,6). Его передаточная функция

Постоянная времени и коэффициент затухания имеют вид:

1 / 1 2. ^ Tj. р J Ку ^-рМ Ажос

-(5.24)

£ЖОС_ ■5ЭМ

 

. (‘£*ос |2 . ! I _ (,c*K i2 1 t + arctg ^—————- J I.

‘Т’жос ’ 1 ® їгакАг,* *■ Аэм 1 эм / J

Ступенчатый единичный входной сигнал такой сервопривод отработает как колебательное звено:

Переходный процесс показан на рис. 5.9, в (кривая 4).

Рассмотрим модель электромеханического сервопривода со скоростной обратной связью, когда в цепи обратной связи находится дифференци­рующее звено с передаточной функцией Wcoc (р) = ксоср (рис. 5.10, в). Тогда передаточная функция такого сервопривода.

Коэффициент усиления и постоянную времени определяют так:

Ступенчатый единичный входной сигнал такой сервопривод отработает так же, как и сервопривод без обратной связи. Инерционность СП умень­шится, так как Тэ„с < Tjj“, однако вместе с этим уменьшится коэффициент усиления кэм < кэм (кривая 5, рис. 5.9, а).

Рассмотрим модель электромеханического сервопривода, охваченного скоростной и жесткой обратными связями (рис. 5.10, г). Передаточная функция такого сервопривода.

Коэффициент усиления, постоянная времени и коэффициент затухания имеют вид: ■

ЬЖСОС _____________

*-эм —

Ступенчатый единичный входной сигнал такой сервопривод обработает почти так же, как и электромеханический сервопривод с жесткой обратной связью (5.25). Отличие будет заключаться в большем коэффициенте зату­хания (см. рис. 5.9, в, кривая 6).

Рассмотрим модель электромеханического сервопривода, охваченного изодромной обратной связью, передаточная функция которой W„oc (р) = — т. р/сг. р + 1) (рис. 5.10,0). Такая передаточная функция получается при пропускании сигнала через КС-цепочку. Другой способ заключается в про­пускании сигнала через электромеханическую следящую систему с переда­точной функцией апериодического звена W(p) = 1/(Тяр+ 1) с последую­щим вычитанием из входного сигнала:

1 тиР

(ТНР + 1)

Передаточная функция сервопривода с изодромной обратной связью

Wy(p)W„M(p)

(5.33)

где тг, £*

Если Ти » Трм, то

При ю > 1/Ти работа СП аналогична работе СП с жесткой обратной связью, так как

1

/ ■ І’жск: 12 2 , жпс т-жпс , 1

‘ *1 Р т ^Цэм “эм Р “Г 1

Другими словами, быстрые управляющие воздействия СП с изодром­ной обратной связью отрабатывает как СП с жесткой обратной связью, а медленные управляющие воздействия-как СП со скоростной обратной связью (рис. 5.9, г, кривая 7).